УФ-лампа

УФ-лампа — это искусственный источник света, основная часть излучения которого приходится на ультрафиолетовый диапазон (100—400 нм). В зависимости от конструкции и наполнения, УФ-лампы генерируют излучение в различных поддиапазонах: УФ-А (315—400 нм), УФ-В (280—315 нм) и УФ-С (100—280 нм). Применяются в медицине, промышленности, быту, научных исследованиях и криминалистике для обеззараживания, полимеризации, фототерапии, обнаружения веществ и создания спецэффектов.

История

Первые наблюдения биологического действия ультрафиолета относятся к концу XIX века, когда немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолетовое излучение (1801 год). Однако практическое применение стало возможным после создания ртутно-кварцевых ламп. В 1904 году немецкий инженер Рихард Кюх и физик Роберт фон Либен разработали первую ртутную лампу высокого давления, излучавшую мощный УФ-спектр. В 1930-х годах началось массовое производство бактерицидных ламп для стерилизации воздуха в больницах и пищевых производствах.

В СССР с 1950-х годов УФ-лампы применялись для обеззараживания воды и помещений, а также в физиотерапии (кварцевание). Развитие светодиодных технологий в конце XX века привело к появлению компактных и энергоэффективных УФ-светодиодов, которые вытесняют традиционные газоразрядные лампы в ряде областей.

Классификация

УФ-лампы классифицируют по типу излучателя, спектру излучения и области применения.

По типу излучателя

• Газоразрядные лампы — наиболее распространённый тип. Внутри колбы находится газ (обычно пары ртути) и инертный газ (аргон). При подаче напряжения возникает электрический разряд, возбуждающий атомы ртути, которые испускают УФ-излучение.
• Ртутные лампы низкого давления — излучают преимущественно в диапазоне УФ-С (253,7 нм). Используются для бактерицидной обработки.
• Ртутные лампы высокого давления — имеют более широкий спектр (УФ-А, УФ-В, частично УФ-С). Применяются в фототерапии, полиграфии и для загара.
• Амальгамные лампы — разновидность ртутных ламп низкого давления, в которых ртуть заменена амальгамой (сплавом ртути с другими металлами). Отличаются повышенной мощностью и стабильностью.
• Светодиодные (LED) УФ-лампы — излучают свет за счёт полупроводникового кристалла. Имеют узкий спектр, обычно в диапазонах УФ-А (365, 395 нм) или УФ-С (255—280 нм). Компактны, долговечны, не содержат ртути.
• Ксеноновые импульсные лампы — генерируют мощные вспышки широкого спектра, включая УФ. Используются в фотолитографии, стробоскопии и для дезинфекции.
• Эксимерные лампы — работают на основе эксимерных молекул (например, KrCl, XeBr). Излучают в узком диапазоне УФ-С (222 нм). Считаются безопасными для человека при соблюдении доз.

По спектру излучения

• УФ-А лампы (315—400 нм) — «чёрный свет». Используются для полимеризации клеев и лаков, в криминалистике (обнаружение следов), в соляриях, для привлечения насекомых в ловушки.
• УФ-В лампы (280—315 нм) — применяются в фототерапии псориаза, витилиго, рахита, а также в соляриях для стимуляции выработки витамина D. Излучение УФ-В может вызывать солнечные ожоги.
• УФ-С лампы (100—280 нм) — бактерицидные. Наиболее эффективны для уничтожения микроорганизмов (вирусов, бактерий, грибков). Излучение УФ-С опасно для человека (ожоги кожи и глаз).

Устройство и принцип работы

Газоразрядная УФ-лампа низкого давления

Основные элементы:

• Колба — изготавливается из кварцевого стекла, пропускающего УФ-излучение. Обычное стекло задерживает УФ-С.
• Электроды — вольфрамовые нити, покрытые эмиссионным материалом (оксидами бария, стронция, кальция).
• Газовое наполнение — пары ртути (давление около 0,1 Па) и аргон.
• Цоколь — для подключения к сети (часто G5, G13, E27).

Принцип работы: при подаче напряжения между электродами возникает дуговой разряд. Электроны сталкиваются с атомами ртути, переводя их в возбуждённое состояние. При возврате в основное состояние атомы испускают фотоны, в основном с длиной волны 253,7 нм (УФ-С). Для запуска лампы требуется балласт (дроссель) и стартер.

Светодиодная УФ-лампа

Состоит из полупроводникового кристалла (на основе нитрида галлия, AlGaN), помещённого в корпус с линзой. При подаче прямого напряжения электроны рекомбинируют с дырками, выделяя энергию в виде УФ-фотонов. Длина волны определяется составом полупроводника. Для питания требуется драйвер (источник постоянного тока).

Применение

Медицина и здравоохранение

• Бактерицидная обработка — обеззараживание воздуха, поверхностей, воды, инструментов. Используются открытые и закрытые УФ-облучатели (рециркуляторы). В России для этих целей применяются лампы типа ДРБ (дуговая ртутная бактерицидная) и ДБ (дуговая бактерицидная).
• Фототерапия — лечение кожных заболеваний (псориаз, экзема, витилиго) с помощью УФ-В ламп. Используются узкополосные лампы с длиной волны 311 нм.
• Диагностика — УФ-А лампы применяются для выявления грибковых инфекций (лампы Вуда), порфирии, а также для осмотра кожи.

Промышленность и быт

• Полимеризация — отверждение УФ-отверждаемых клеев, лаков, красок, композитов. Широко используется в стоматологии, полиграфии, электронике, производстве мебели.
• Стерилизация — обеззараживание питьевой воды, сточных вод, воздуха в системах вентиляции, упаковки продуктов.
• Солярии — лампы, излучающие УФ-А и УФ-В, для получения искусственного загара. В России регулируются санитарными нормами (СанПиН 1.2.3685-21).
• Криминалистика — УФ-А лампы (чёрный свет) используются для обнаружения следов крови, спермы, слюны, поддельных документов, денежных купюр.
• Привлечение насекомых — УФ-лампы входят в состав электрических ловушек для комаров, мух и других насекомых.

Научные исследования

• Спектроскопия — изучение поглощения и отражения УФ-излучения веществами.
• Фотолитография — создание микроэлектронных схем с использованием УФ-излучения (глубокий ультрафиолет, DUV).
• Фотохимия — инициирование химических реакций (например, синтез витамина D).

Безопасность и вред

УФ-излучение может быть опасным для человека. Наиболее опасен диапазон УФ-С (100—280 нм), который вызывает ожоги кожи и глаз (фотокератит). УФ-В также способен вызывать ожоги и повышает риск рака кожи. УФ-А проникает глубже, способствуя фотостарению и повреждению ДНК.

При работе с открытыми УФ-лампами необходимо:

• использовать средства индивидуальной защиты (очки, экраны, одежду);
• исключать присутствие людей и животных в зоне облучения;
• соблюдать нормы времени облучения (для бактерицидных ламп — не более 30 минут в помещении без людей).

В России требования к безопасности УФ-ламп установлены ГОСТ Р 52106-2003, СанПиН 1.2.3685-21 и другими нормативными документами.

Интересные факты

• Первая бактерицидная лампа была создана в 1904 году, но широкое применение получила только после эпидемий гриппа в 1918—1920 годах.
• УФ-лампы низкого давления излучают около 85% энергии в диапазоне 253,7 нм, что близко к пику поглощения ДНК микроорганизмов (260 нм).
• Светодиодные УФ-лампы не содержат ртути, что делает их более экологичными, но их КПД пока ниже, чем у газоразрядных.
• В 2020 году, во время пандемии COVID-19, спрос на бактерицидные УФ-лампы в России вырос в несколько раз.

Источники

• ГОСТ Р 52106-2003 «Лампы ультрафиолетовые. Общие технические условия».
• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
• Козлов В. А. «Ультрафиолетовое излучение в медицине и биологии». — М.: Медицина, 2005.
• Иванов А. П. «Источники ультрафиолетового излучения». — СПб.: Лань, 2012.
• Материалы Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по ультрафиолетовому излучению.